泵站雙節(jié)式拍門合理開啟角度分析

陸偉剛，周秉南，陳華，夏輝，徐波*

（1. 揚州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009； 2. 江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127）

中國的泵站技術(shù)正處于快速發(fā)展階段，泵站出水流道的斷流方式應(yīng)兼具安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性，拍門斷流由于造價低廉、管理方便等優(yōu)點應(yīng)用廣泛.當(dāng)采用拍門斷流時，技術(shù)人員在拍門實際運行中對于拍門的開啟角度、水力損失以及拍門對門座的沖擊力等問題較為關(guān)心[1].國內(nèi)許多學(xué)者對各種類型拍門的開啟角度與水力損失、拍門受力以及門后水流流態(tài)的關(guān)系等水力特性進(jìn)行了研究.楊帆等[2]采用模型試驗同數(shù)值模擬結(jié)合的方式探究了整體式拍門的水力損失.朱紅耕等[3]探究了整體式拍門產(chǎn)生水力損失的原因，以及拍門水力損失與整體裝置效率之間的關(guān)系.拍門開啟角度和水力損失之間具有一定規(guī)律，而且門后水流的流態(tài)也可以作為評判拍門工作狀態(tài)好壞的標(biāo)準(zhǔn).

雙節(jié)式拍門與整體式拍門相比，其開啟角度較大，水力損失小，閉門時對門座的沖擊小.基于此，儲訓(xùn)等[4]推導(dǎo)研究了雙節(jié)式拍門的開啟過程、開啟角度經(jīng)驗公式以及其在靜水中的運動.朱紅耕等[1]探究了雙節(jié)式拍門產(chǎn)生水頭損失的原因，并推導(dǎo)出雙節(jié)式拍門水頭損失系數(shù)的經(jīng)驗公式.總體上，學(xué)者們對于雙節(jié)式拍門開啟角度的研究不夠深入，僅僅從單一角度分析了水力損失與雙節(jié)式拍門開啟角度的關(guān)系.

文中將鵝湖泵站的雙節(jié)式拍門作為研究對象，以水力損失和拍門門后水流流態(tài)為控制指標(biāo)，對比分析拍門開啟角度、水力損失和門后水流流態(tài)的規(guī)律，得出一個適用于該雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度范圍，為雙節(jié)式拍門在泵站的應(yīng)用提供參考.

1 雙節(jié)式拍門開啟角度經(jīng)驗公式

鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度采用文獻(xiàn)[4]中推導(dǎo)的計算式，即

（1）

式中：α1，α2分別為雙節(jié)式拍門上、下節(jié)門的開啟角度；αm為拍門在靜止?fàn)顟B(tài)下的傾角，在此取αm=10.00°；Mc1，Mc2，Mc12分別為上節(jié)門對上鉸，下節(jié)門對下鉸以及上、下節(jié)門對上鉸的水流沖力力矩；Mg1，Mg2，Mg12分別為上節(jié)門浮重對上鉸，下節(jié)門浮重對下鉸以及上、下節(jié)門浮重對上鉸的水流沖力力矩；h為雙節(jié)式拍門的總高；h1為上節(jié)門的高度.

2 雙節(jié)式拍門水力損失計算方法

2.1 水力損失理論計算方法

對于雙節(jié)式拍門開啟角度已知的前提下，其水力損失系數(shù)計算式為

（2）

式中：ξp為拍門水頭損失系數(shù).

拍門水力損失Δhp計算式為

Δhp=ξpv2/2g，

（3）

式中：v為水泵出口流速，m/s；g為重力加速度，m/s2.

2.2 水力損失試驗計算方法

試驗中拍門的水力損失用管道出口損失替代，計算斷面（斷面1-1和斷面2-2）分別距離出口3.5和7.5 m，如圖1所示.

替代后的雙節(jié)式拍門水力損失計算式為

（4）

在對比流道水力損失時常常用到流量系數(shù)C，流量系數(shù)越大，對應(yīng)水力損失越小，其計算式為

（5）

式中：Q為流量，m3/s.

2.3 雙節(jié)式拍門水力損失模型試驗介紹

雙節(jié)式拍門水力損失模型試驗在揚州大學(xué)泵站試驗臺上進(jìn)行.原模型比尺取為5∶1，拍門內(nèi)、外水位可在主機屏幕中顯示.在拍門下方布置門外的水位測點，在門內(nèi)側(cè)0.05 m處的涵管底部布置門內(nèi)的水位測點.流量通過標(biāo)準(zhǔn)孔板測量.標(biāo)準(zhǔn)孔板為不銹鋼材質(zhì)，采用法蘭取壓.模型試驗過程中，在距離拍門模型出口內(nèi)側(cè)0.7 m和外側(cè)1.5 m處設(shè)置測速點，并在同一位置處的流道底部連接測壓管.

3 雙節(jié)式拍門數(shù)值模擬理論方法

3.1 控制方程和湍流模型

數(shù)值模擬控制方程采用連續(xù)性方程和雷諾時均N-S方程[5].湍流模型為Realizablek-ε模型[6]，方程的數(shù)值解法采用SIMPLEC算法[7-8].

3.2 邊界條件、網(wǎng)格劃分及無關(guān)性分析

進(jìn)口邊界條件選擇流速進(jìn)口[9]，流速設(shè)為1.8 m/s.出口邊界條件選擇壓力出口，壓力為1.01×105Pa，其余均設(shè)置為固壁邊界.

采用Mesh軟件對計算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.整體結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格精度設(shè)置為0.2，拍門面板局部加密，網(wǎng)格精度設(shè)置為0.05.以網(wǎng)格總數(shù)的1.2倍逐漸遞增進(jìn)行無關(guān)性分析[10-11].當(dāng)水力損失穩(wěn)定時，網(wǎng)格數(shù)最小為899 721.

3.3 斷面流速均勻度

安裝拍門后需要考慮水流在涵管內(nèi)的發(fā)展，要求在涵管的流態(tài)相對穩(wěn)定，流速分布相對均勻.斷面流速均勻度常常被視作一個判斷指標(biāo)，來反映出口斷面的流場環(huán)境[12].流速均勻度越大，代表該斷面的速度分布越均勻，流態(tài)就越好.流速分布均勻度計算式為

（6）

4 雙節(jié)拍門合理開啟角度分析思路

對于雙節(jié)式拍門，位于不同拍門開度時，其出口斷面水力損失不同，門后流態(tài)也不同.文中對流量和拍門開度進(jìn)行交叉對比，分析在不同流量和不同開度情況下拍門的水力損失和門后流態(tài)，選擇出最佳的拍門開度，分析流程如圖2所示.

在進(jìn)行拍門斷流設(shè)計時，一般會思考2個問題：一是拍門開啟角度太小，致使水力損失過大；二是當(dāng)機組停泵時，由于拍門自重以及水流反推力，拍門對門座會造成極大的沖擊力，特別是當(dāng)開啟角度過大時，閉門時長較長，對門座造成的破壞更大.所以選擇合理的開啟角度對實現(xiàn)泵站穩(wěn)定運行有極大的意義.

5 工程實例分析

5.1 基本資料

鵝湖泵站設(shè)計流量為16 m3/s，雙節(jié)式拍門寬度為3.24 m，總高度為3.30 m，上、下門之間設(shè)有下鉸段0.4 m，上節(jié)門門頁高度為1.7 m，下節(jié)門門頁高度為1.2 m.拍門在靜止?fàn)顟B(tài)下的傾角αm=10.00°.利用三維建模軟件UG對計算區(qū)域進(jìn)行建模.計算區(qū)域模型如圖3所示.

5.2 雙節(jié)式拍門開啟角度計算結(jié)果

為了探究雙節(jié)式拍門在流量逐漸增大至設(shè)計流量過程的開度范圍，主要計算在2～16 m3/s（每個流量方案間隔2 m3/s）流量條件下，上、下節(jié)門實現(xiàn)穩(wěn)定開啟時的角度，計算結(jié)果見表1.

表1 各方案拍門開度結(jié)果

由理論計算可知，達(dá)到設(shè)計流量時，雙節(jié)式拍門開啟角度可達(dá)到上節(jié)門53.00°左右，下節(jié)門67.00°左右.

5.3 基于水力損失確定較優(yōu)開啟角度

5.3.1 基于理論的水力損失計算結(jié)果

將數(shù)據(jù)帶入式（2），（3），可以得出各方案的拍門理論水力損失，結(jié)果如表2所示.由表可知，隨著流量逐漸增大，雙節(jié)式拍門開啟角度逐漸增大，但對應(yīng)拍門出口斷面水力損失卻隨之減小.對比文獻(xiàn)[13]中整體式拍門在流量為10 m3/s，拍門開啟角度約為45.00°工況的水力損失系數(shù)，雙節(jié)式拍門在相同工況的水力損失系數(shù)遠(yuǎn)小于整體式拍門，說明雙節(jié)式拍門具有更加優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式.由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)流量大于12 m3/s時（即上節(jié)門開度大于45.84°，下節(jié)門開度大于63.81°時），雖然拍門開啟角度仍在增大，但是出口斷面的水力損失已經(jīng)穩(wěn)定在75 mm左右.由此可以得出，流量為12～16 m3/s時所對應(yīng)的雙節(jié)式拍門開度為較優(yōu)的拍門開度.

表2 各方案拍門水力損失

5.3.2 水力損失數(shù)值模擬和模型試驗結(jié)果分析

基于水力損失理論分析結(jié)果，共設(shè)計4種拍門開度方案，分析在不同開度下拍門水力損失同流量的變化規(guī)律.表3為各方案的上、下節(jié)門固定開啟角度.模型試驗以及數(shù)值模擬的水力損失對比如圖4所示.

表3 各方案上、下節(jié)門角度

觀察圖4中的曲線，雙節(jié)式拍門的水力損失隨著流量增大而增大，隨著開啟角度增大而減小.這與文獻(xiàn)[13]中整體式拍門模型試驗得出的規(guī)律一致，而且雙節(jié)式拍門的水力損失更小、開啟角度更大，說明雙節(jié)式拍門的水力特性比整體式拍門更好.如方案1所示，拍門小開度工況下，流量對水力損失的結(jié)果影響顯著.通過方案2的試驗結(jié)果可以看出，水力損失隨流量變化曲線已經(jīng)較為平緩，但在流量大于15 m3/s后，水力損失的變化還是較為明顯.在方案3，4中，雙節(jié)式拍門造成的水力損失已經(jīng)減小到70 mm以下，通過與方案1和方案2比較可以發(fā)現(xiàn)，流量的增大對水力損失的影響已經(jīng)很小.數(shù)值模擬得出的水力損失同流量變化的規(guī)律與模型試驗所呈現(xiàn)的規(guī)律相同.綜合來看，在雙節(jié)式拍門上節(jié)門開度達(dá)到46.00°左右，下節(jié)門開度達(dá)到64.00°左右時，水力損失較小而且其大小幾乎不隨流量增加發(fā)生變化.由此可以得出，方案3和方案4的拍門開度范圍可以作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度.

5.3.3 拍門水力損失結(jié)果對比分析

鵝湖泵站的設(shè)計流量為16 m3/s，在該流量下數(shù)值模擬得出的流量系數(shù)以及泵裝置效率下降值，同模型試驗結(jié)果以及理論計算結(jié)果如表4所示.

表4 3種方法的計算結(jié)果比較

分析表4數(shù)據(jù)，數(shù)值模擬和模型試驗所得出的流量系數(shù)C大小接近，理論分析所得的拍門流量系數(shù)C小于數(shù)值模擬和模型試驗所得出的流量系數(shù)C，說明理論分析所得的水力損失大于模型試驗以及數(shù)值模擬所得的水力損失.這是由于在進(jìn)行雙節(jié)式拍門水力損失理論計算過程中并沒有考慮流道斷面突變引起的流速變化.

對比3種方法計算得出的流量系數(shù)C可知，雙節(jié)式拍門開啟角度越大，對應(yīng)的流量系數(shù)C越大，拍門水力損失越小.當(dāng)上節(jié)門開度為46.00°左右、下節(jié)門開度為64.00°左右時（即方案3），3種計算方法中因拍門水力損失引起的效率減少值η1已降至3%左右，而且隨著開啟角度增大，拍門對泵裝置性能乃至泵站運行的影響在逐漸減弱.因此選擇方案3到方案4的雙節(jié)式拍門開啟角度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度的較優(yōu)開度.

5.4 基于門后流態(tài)確定較優(yōu)開啟角度

5.4.1 門后斷面流速影響分析

將無拍門時出水涵洞的門后斷面流速作為參照，以4種拍門開啟角度方案為研究對象，對門后斷面的流態(tài)進(jìn)行研究.圖5為流量為16 m3/s工況下不同方案的門后斷面流速矢量圖.

分析不設(shè)拍門方案可知，水流自水泵出口順直流出，且高速水流分布在涵洞中部.觀察5個方案的流態(tài)可知，當(dāng)雙節(jié)式拍門的開啟角度變大時，出口斷面的高速水流區(qū)出現(xiàn)的位置從拍門下沿不斷上移，其面積不斷變大.與文獻(xiàn)[2]中整體式拍門的門后水流流態(tài)一致，在運行過程中雙節(jié)式拍門在兩側(cè)出現(xiàn)對稱的旋渦區(qū).隨著拍門開啟角度增大，旋渦區(qū)的面積逐漸減小，最終將會與無拍門工況接近.可以發(fā)現(xiàn)在方案3，4對應(yīng)的開啟角度工況下，高速水流區(qū)的面積較大，水流流態(tài)較好，旋渦區(qū)的面積相比于其他方案對流態(tài)的影響較小.

5.4.2 出口軸向流速均勻度的影響分析

將無拍門方案的出水涵洞流速均勻度作為參照，分析布置雙節(jié)式拍門和開啟角度對流速均勻度的影響.在涵管內(nèi)等距離選取7個斷面，并計算各斷面的流速均勻度.圖6為方案3的斷面流速云圖.

觀察方案3的斷面流速云圖可知，水流流出拍門后，在斷面下方存在高速水流區(qū)，隨著水流向涵管遠(yuǎn)處流動，高速水流區(qū)逐漸向涵管兩側(cè)擴(kuò)散，水流呈現(xiàn)螺旋式前進(jìn).圖7為5個方案的斷面流速均勻曲線.

從圖7可以看出，無論有無拍門，流速均勻度γ均隨著距離d的增大而增大.由方案1，2可知，當(dāng)拍門開度較小時，隨著距離增大，涵管內(nèi)的流態(tài)隨之改善，但其出口處的均勻度指標(biāo)比未設(shè)拍門方案的均勻度指標(biāo)低.觀察方案3的流速均勻度可知，在斷面5處的流速均勻度已經(jīng)比不布置拍門方案在同一段面處的流速均勻度大.說明在拍門開度位于上節(jié)門46.00°、下節(jié)門64.00°時，涵管內(nèi)流態(tài)可實現(xiàn)完全發(fā)展，拍門對門后水流的影響可忽略.若拍門開度不斷增大，涵管內(nèi)流態(tài)完全發(fā)展所需的距離就更短.如方案4，在斷面3處的流速均勻度指標(biāo)已高于不布置拍門方案的流速均勻度指標(biāo).

根據(jù)門后水流流態(tài)以及出口軸向流速均勻度結(jié)果分析，方案3和方案4的拍門開度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度范圍是合理的.

5.5 分析與討論

通過對比分析雙節(jié)式拍門水力損失的理論計算、模型試驗和數(shù)值模擬結(jié)果，得出方案3（上節(jié)門46.00°，下節(jié)門64.00°）和方案4（上節(jié)門53.00°，下節(jié)門70.00°）的雙節(jié)式拍門水力損失整體較小，水力損失受流量的影響較小，且在該開啟角度范圍內(nèi)，水泵效率減少值僅為1.00%～3.00%.因此將方案3到方案4的拍門開度作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門開啟角度的較優(yōu)解.

利用數(shù)值模擬的方法對雙節(jié)式拍門門后水流流態(tài)以及軸向流速均勻度進(jìn)行了分析.發(fā)現(xiàn)雙節(jié)式拍門的開度越大，高速水流區(qū)的面積越接近無拍門方案，水流流態(tài)越好.在方案3和方案4所對應(yīng)的雙節(jié)式拍門開啟角度下，與無拍門方案相比，旋渦區(qū)面積顯著減小，流態(tài)有較大改進(jìn)，而且涵管內(nèi)的流速均勻度指標(biāo)高于無拍門方案的.因此，方案3和方案4的拍門開度范圍作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開度是合理的.

根據(jù)水力損失和拍門門后水流與雙節(jié)式拍門開啟角度的對比分析，對于鵝湖泵站雙節(jié)式拍門，上節(jié)拍門的合理開啟角度約為46.00°～53.00°，下節(jié)拍門的合理開啟角度約為64.00°～70.00°.泵站拍門技術(shù)導(dǎo)則中建議的雙節(jié)式拍門、上節(jié)拍門開度宜大于50.00°，下節(jié)拍門開度宜大于65.00°，上、下節(jié)門開度差不宜大于20.00°.與之相比，鵝湖泵站雙節(jié)式拍門所得的較優(yōu)開啟角度范圍下限略低.因此，基于多角度出發(fā)研究拍門開啟角度與水力損失以及拍門門后流態(tài)的影響，得出具體泵站雙節(jié)式拍門的合理開啟角度范圍具有一定意義.

6 結(jié) 論

1） 雙節(jié)式拍門水力損失理論公式計算結(jié)果與模型試驗和數(shù)值模擬的結(jié)果相比相差不大，說明雙節(jié)式拍門理論計算公式具有較高的準(zhǔn)確性，可在雙節(jié)式拍門的研究中推廣應(yīng)用.

2） 在上節(jié)拍門開啟角度約為46.00°～53.00°，下節(jié)拍門開啟角度約為64.00°～70.00°，雙節(jié)式拍門水力損失整體較小，水泵效率減少值小，而且門后流態(tài)較好，能在涵管內(nèi)充分發(fā)展，可以作為鵝湖泵站雙節(jié)式拍門的較優(yōu)開啟角度.

3） 從多角度出發(fā)對比分析得出的雙節(jié)式拍門合理開啟角度的研究方法是合理可行的，其為拍門的開啟角度研究提供了一個新的思路，值得在其他類型拍門合理開啟角度研究中推廣應(yīng)用.